CN103715353A - 可变电阻存储结构及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
可变电阻存储结构及其形成方法。一种半导体结构包括可变电阻存储结构。该半导体结构还包括介电层。可变电阻存储结构的一部分位于介电层上方。可变电阻存储结构包括嵌入介电层中的第一电极；设置在第一电极和一部分介电层的上方的可变电阻层；设置在可变电阻层上方的第二电极。
Description
技术领域
一般来说，本发明涉及半导体结构，更具体而言，涉及可变电阻存储结构以及形成可变电阻存储结构的方法。
背景技术
在集成电路(IC)器件中，电阻式随机存取存储器(RRAM)是用于下一代非易失性存储器件的新兴技术。RRAM是包括RRAM单元阵列的存储结构，每一个RRAM单元都存储使用电阻值的数据比特，而不是电荷。具体来说，每一个RRAM单元都包括可变电阻层，可以调节可变电阻层的电阻来表示逻辑“0”或逻辑“1”。
从应用的观点出发，RRAM具有许多优点。与其他非易失性存储结构相比，RRAM具有简单的单元结构和CMOS逻辑可比工艺，从而降低了制造的复杂性和成本。尽管上面论述了一些吸引人的特性，但是在与开发RRAM相关的方面仍存在诸多挑战。已经在尝试针对这些RRAM的配置和材料的各种技术并且进一步提高器件的性能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一方面，提供了一种半导体结构，包括：介电层；以及可变电阻存储结构，其中所述可变电阻存储结构的至少一部分位于所述介电层上方，所述可变电阻存储结构包括：嵌入所述介电层中的第一电极；设置在所述第一电极和一部分所述介电层的上方的可变电阻层；和设置在所述可变电阻层上方的第二电极。
在所述的半导体结构中，所述第一电极具有宽度W1，所述第二电极具有宽度W2，并且所述宽度W1小于所述宽度W2。
所述的半导体结构进一步包括：位于所述可变电阻层和所述第二电极之间的覆盖层。在一个实施例中，所述覆盖层包含钛、钽或者铪。
所述的半导体结构进一步包括：位于所述介电层下方并且与所述第一电极电连接的导电结构。在一个实施例中，所述半导体结构进一步包括：嵌入所述第一电极和所述导电结构之间的介电层中的阻挡层。在进一步的实施例中，所述阻挡层包含TiN、Ti、Ta、TaN、W或WN。
在所述的半导体结构中，所述可变电阻层包含高k介电材料、二元金属氧化物或者过渡金属氧化物。
在所述的半导体结构中，所述可变电阻层包含氧化镍、氧化钛、氧化铪、氧化锆、氧化锌、氧化钨、氧化铝、氧化钽、氧化钼或者氧化铜。
在所述的半导体结构中，所述第一电极和所述第二电极每一个都包括Pt、AlCu、TiN、Au、Ti、Ta、TaN、W、WN或者Cu。
根据本发明的另一方面，提供了一种半导体结构，包括：导电结构；阻挡层，设置在所述导电结构上方；以及可变电阻存储结构，位于所述阻挡层上方，所述可变电阻存储结构包括：设置在所述阻挡层上方的第一电极，其中所述阻挡层和所述第一电极具有基本上相同的宽度W1；设置在所述第一电极上方的可变电阻层；以及设置在所述可变电阻层上方的第二电极，其中所述可变电阻层和所述第二电极具有基本上相同的宽度W2，所述宽度W2不同于宽度W1。
在所述的半导体结构中，所述宽度W1小于所述宽度W2。
所述的半导体结构进一步包括：位于导电结构上方并且围绕所述阻挡层和所述第一电极的介电层。
所述的半导体结构进一步包括：位于所述可变电阻层和所述第二电极之间的覆盖层。
在所述的半导体结构中，所述阻挡层接触所述导电结构。
在所述的半导体结构中，所述可变电阻层包含高k介电材料、二元金属氧化物或者过渡金属氧化物。
在所述的半导体结构中，所述第一电极和所述第二电极都包含Pt、AlCu、TiN、Au、Ti、Ta、TaN、W、WN或Cu。
在所述的半导体结构中，所述阻挡层包括TiN、Ti、Ta、TaN、W或WN。
根据本发明的又一方面，提供了一种形成可变电阻存储结构的方法，所述方法包括：在介电层中形成开口，其中所述介电层具有顶面；用第一电极材料填充所述开口基本上至所述顶面；在所述第一电极材料上方沉积可变电阻层；在所述可变电阻层上方沉积第二电极材料；以及蚀刻所述可变电阻层和所述第二电极材料以形成所述可变电阻存储结构。
所述的方法进一步包括：在填充所述第一电极材料的步骤之前用阻挡层填充所述开口的一部分。
附图说明
从以下详细描述和附图中可以理解本发明的各个方面。应该强调，根据工业中的标准实践，各种部件没有按比例绘制。实际上，为清楚的论述，各种部件的尺寸可以被任意地增大或者减小。
图1是根据本发明的一个或多个实施例形成具有可变电阻存储结构的半导体结构的方法的流程图。
图2A至图2I是根据图1的方法的一个或多个实施例处于制造各阶段的具有可变电阻存储结构的半导体结构的截面图。
图3示出根据本发明的一个或多个实施例用形成在可变电阻存储结构的可变电阻层中的导电丝来操作可变电阻存储结构的截面图。
具体实施方式
以下详细描述示例性实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的发明构思。所论述的具体实施例仅仅是示例性的而不用于限制本发明的范围。
根据本发明的一个或多个实施例，一种半导体结构包括可变电阻存储结构。可变电阻存储结构包括在两个电极之间形成的可变电阻层。通过对两个电极中的每一个施加指定电压来改变可变电阻层的电阻。使用低电阻和高电阻来指示数字信号“1”或“0”，从而允许数据存储。转换行为不但取决于可变电阻层的材料，而且还取决于选择的电极和该电极的界面性能。
根据本发明的一个或多个实施例，具有可变电阻存储结构的半导体结构形成在衬底的芯片区内。通过芯片区之间的划线，在衬底上标记多个半导体芯片区。衬底将经历各种清洁、成层、图案化、蚀刻和掺杂步骤以形成半导体结构。本文中的术语“衬底”通常是指在其上形成各种层和器件结构的块状衬底。在一些实施例中，块状衬底包括硅或者诸如GaAs、InP、Si/Ge或SiC的化合物半导体。这样的层的实例包括介电层、掺杂层、多晶硅层或者导电层。器件结构的实例包括晶体管、电阻器和/或电容器，其可以通过互连层互连至其他集成电路。
图1是根据本发明的一个或多个实施例形成具有可变电阻存储结构的半导体结构的方法100的流程图。图2A至图2I是根据图1的方法100的各种实施例处于制造各阶段的具有可变电阻存储结构的半导体结构200A和200B的截面图。应该注意，可以在图1的方法100之前、期间或之后提供其他工艺。为更好地理解本发明的发明构思，将各附图作了简化。
参考图1，方法100的流程图开始于操作102。在介电层中形成开口。介电层具有顶面。介电层形成在衬底上，其中在衬底的顶部上具有至少一个导电结构。在至少一个实施例中，从介电层的顶面蚀刻出开口以暴露至少一个导电结构的一部分。
参考图2A，示出在实施操作102之后具有可变电阻式存储结构的半导体结构200A的一部分的放大截面图。半导体结构200A包括诸如碳化硅(SiC)衬底、GaAs、InP、Si/Ge或者硅衬底的衬底(未示出)。衬底可以包括形成在衬底顶部上的多个层。这些层的实例包括介电层、掺杂层、多晶硅层或者导电层。衬底可以进一步包括形成在多个层内的多个器件结构。器件结构的实例包括晶体管、电阻器和/或电容器。
在图2A至图2I示出的实例中，半导体结构200A和200B包括形成在衬底(未示出)顶部上的导电结构202。导电结构202可以包括导电互连件、掺杂区或者硅化物区。在一些实施例中，导电结构202可以包括Al、Cu、Ti、Ta、W、Mo、TaN、NiSi、CoSi、TiN、WN或者硅。通过合适的工艺，包括沉积、光刻图案化、掺杂、注入或者蚀刻工艺来形成导电结构202。
介电层204沉积在导电结构202上方。介电层204具有顶面204A。介电层204包含氧化硅、氟化硅玻璃(FSG)、碳掺杂氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、原硅酸四乙酯(TEOS)氧化物、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼磷掺杂的硅酸盐玻璃(BPSG)、黑金刚石
(Black
Applied Materialsof Santa Clara(应用材料公司)，圣克拉拉，加利福尼亚)、非晶氟化碳、低k介电材料或者这些的组合。沉积工艺可以包括化学汽相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、高密度等离子体CVD(HDPCVD)或者旋涂玻璃。
在介电层204中蚀刻出从顶面204A延伸至导电结构202的顶面的开口206以暴露导电结构202的一部分。开口206具有侧壁和宽度W1。通过合适的工艺(包括光刻图案化和蚀刻工艺)来形成开口206。
图2B是在在开口206中可选地形成阻挡层208之后的半导体结构200A的截面图。阻挡层208包含TiN、Ti、Ta、TaN、W或WN中的至少一种。在至少一个实施例中，阻挡材料可以过填充介电层204中的开口206。可能的形成方法包括化学镀、溅射、电镀、物理汽相沉积(PVD)或者CVD。通过诸如化学机械抛光(CMP)或者平坦化深蚀刻工艺的合适工艺来去除开口206外多余的阻挡材料。
图2C是在从开口206去除阻挡层208的顶部之后的半导体结构200A的截面图。实施蚀刻工艺以去除阻挡层208的顶部并且留下填充在开口206的底部中的阻挡层208的剩余部分。蚀刻工艺可以包括干法蚀刻工艺、湿法蚀刻工艺或者这些的组合。
返回参考图1，方法100继续操作104，其中用第一电极材料填充开口基本上至介电层的顶面。
图2D是在实施操作104之后的半导体结构200A的截面图。第一电极210填充位于阻挡层208上方的开口206中。第一电极210包括具有适当的功函数的第一电极导电材料，从而在第一电极210和后续形成的可变电阻层之间形成高功函数墙(high work function wall)。第一电极210可以包括Pt、AlCu、TiN、Au、Ti、Ta、TaN、W、WN或者Cu。在至少一个实施例中，第一电极导电材料可以过填充图2C中的介电层204的开口206。可能的形成方法包括化学镀、溅射、电镀、PVD或者ALD。然后通过诸如CMP或者平坦化深蚀刻工艺的合适的平坦化工艺来去除开口206外多余的第一电极导电材料。第一电极210形成在开口206的顶部中，并且嵌入介电层204中。第一电极210的顶面210A与介电层204的顶面204A基本共面。由于阻挡层208和第一电极210形成在同一开口206中，阻挡层208和第一电极210具有与开口206基本上相同的宽度W1和对准的侧壁。导电结构202通过阻挡层208与第一电极210电连接。
沉积在导电结构202上且位于第一电极210下方的阻挡层208被设计成用于阻止导电结构202和第一电极210的材料的相互混合。阻挡层208阻止导电结构202和第一电极210之间的扩散和任何接面尖峰(junctionspiking)。因此提高了半导体结构200A的电性能。
返回参考图1，方法100继续操作106和108。在操作106中，在第一电极材料上方沉积可变电阻层。在操作108中，在可变电阻层上方沉积第二电极材料。
图2E是在实施操作106和108之后的半导体结构200A的截面图。可变电阻层212沉积在第一电极210和介电层204上方。通过施加电压，可变电阻层212的电阻率能够在高电阻状态和低电阻状态(或者导电)之间转换。在各种实施例中，可变电阻层212包含介电材料，其包含高k介电材料、二元金属氧化物或者过渡金属氧化物。在一些实施例中，可变电阻层212包含氧化镍、氧化钛、氧化铪、氧化锆、氧化锌、氧化钨、氧化铝、氧化钽、氧化钼或者氧化铜。可能的形成方法包括PVD或者ALD，诸如使用含锆和氧的前体的ALD。在一个实例中，可变电阻层212的厚度在约20埃至约200埃范围内。
第二电极材料214沉积在可变电阻层212上方。第二电极材料214可以包括合适的导电材料以将后续形成的可变电阻存储结构电连接至互连结构的其他部分进行电布线。第二电极材料214可以包括Pt、AlCu、TiN、Au、Ti、Ta、TaN、W、WN或者Cu。在一些实施例中，第一电极材料210和第二电极材料214具有相同的组成。在一些实施例中，第一电极材料210和第二电极材料214具有不同的组成。可能的形成方法包括化学镀、溅射、电镀、PVD或者ALD。
在一些实例中，如图2I所示，半导体结构200A可以进一步包括可选地在可变电阻层212上和第二电极材料214下方形成的覆盖层213。覆盖层包括不稳定的导电材料，其能够从可变电阻层212中夺取氧，并且在可变电阻层212中形成空位缺陷。覆盖层包含钛、钽或者铪。
返回参考图1，方法100继续操作110，其中蚀刻第二电极材料和可变电阻层以形成可变电阻存储结构。
图2F和图2G是在实施操作110之后的半导体结构200A的截面图。在图2F中，在第二电极材料214上方形成具有宽度W2的部件的掩模层216。该部件通过合适的工艺(包括沉积、光刻图案化和/或蚀刻工艺)形成。在至少一个实施例中，掩模层216的部件位于第一电极210的上方，并且覆盖具有宽于第一电极210的宽度W1的宽度W2的区域。实施蚀刻工艺以去除未位于掩模层216下方的第二电极材料214和可变电阻层212。然后，限定第二电极214A并且形成可变电阻存储结构250A。由于在相同的掩模层216下覆盖并且蚀刻第二电极材料214和可变电阻层212，第二电极214A和图案化的可变电阻层212具有基本上相同的宽度W2，该宽度W2宽于第一电极210的宽度W1。而且，第二电极214A和图案化的可变电阻层212具有基本上对准的侧壁。
在某些实施例中，掩模层216的部件位于第一电极210上方，并且覆盖具有窄于第一电极210的宽度W1的宽度W2的区域。第二电极214A和图案化的可变电阻层212具有基本上相同的宽度W2，该宽度W2窄于第一电极210的宽度W1。
图2G示出在去除掩模层216并且暴露出可变电阻存储结构250A的第二电极214A的顶面之后的半导体结构200A的截面图。去除工艺可以包括干蚀刻工艺、湿蚀刻工艺或者它们的组合。
图2H是根据图1的方法100的各种实施例具有另一可变电阻存储结构250B的半导体结构200B的截面图。半导体结构200B的堆叠层和制造方法与半导体结构200A类似。然而，半导体结构200B中的可变电阻存储结构250B并不包括半导体结构200A的阻挡层208。导电结构202与第一电极210直接电连接。
图3是在用于数据存储的各种操作中具有可变电阻存储结构250A的半导体结构200A的放大截面图。在“形成”的操作中，对可变电阻存储结构的第一电极210和第二电极214A施加“形成”电压。“形成”电压足够高以在可变电阻层212中产生导电部分。在一个实例中，导电部分包括一个或者多个导电丝300以提供导电路径从而使得可变电阻层212显示“导通”或者低电阻状态。导电路径可以与可变电阻层212中缺陷(例如氧)空位的排列(lineup)有关。在一些实施例中，仅施加一次“形成”电压。一旦形成导电路径，导电路径将在可变电阻层212中保持存在。其他操作可以使用较小的电压或者不同的电压来断开或者重新接通导电路径。
在“设置”操作中，将足够高以重新接通可变电阻层212中的导电路径的“设置”电压施加到可变电阻存储结构250A，从而使得可变电阻层212显示“导通”或者低电阻状态。“设置”操作使可变电阻层212转变为低电阻状态。
在“重置”操作中，将足够高以断开可变电阻层212中的导电路径的“重置”电压施加到可变电阻存储结构250A，从而使得可变电阻层212显示“断开”或者高电阻状态。通过在两个电极210和214A之间施加指定电压，在施加指定电压之后改变可变电阻层212的电阻。使用低电阻和高电阻来指示数字信号“1”或“0”，从而允许数据存储。
本发明的各种实施例可以用于提高可变电阻存储结构的性能。例如，在操作104中通过填充工艺在开口206中形成第一电极210。在操作110中通过蚀刻工艺形成第二电极214A。所公开的方法包括用于形成电极210和214A的单蚀刻工艺(在操作110中)。本发明消除了传统方法中的弊端，诸如由于在图案化第一电极210和第二电极214A中的多个蚀刻步骤导致在等离子体环境中暴露较长时间而对可变电阻层212造成的蚀刻损伤。在可变电阻层212中没有蚀刻损伤的情况下，减小了可变电阻存储结构250A和250B中可能的漏电流。
在另一个实例中，可变电阻存储结构(250A或250B)的操作电流与可变电阻层212中的导电路径(或导电丝300)的面积有关。导电路径(或导电丝300)的面积限制在“形成”操作之后第一电极210的宽度W1和第二电极214A的宽度W2内。宽度W1或宽度W2中较小的宽度规定可变电阻层212中的导电路径面积的宽度。随着光刻图案化工艺继续缩减宽度W1和宽度W2，还能够进一步降低可变电阻存储结构(250A或250B)的操作电流。在本发明中，宽度W1由操作102中能够形成开口206的光刻图案化和蚀刻工艺来决定。而且，在操作102中还决定第一电极210的宽度W1。鉴于光刻图案化和蚀刻工艺，减小材料层中的开口(或蚀刻部分)的尺寸的大小比减小材料层中的部件(或保留部分)的尺寸更简单。在本发明中，在开口206中决定第一电极210的宽度W1。本发明提供用于促进按比例缩小可变电阻存储结构(250A或250B)并且还降低操作电流的有效技术。
本发明的一方面描述了包括可变电阻存储结构的半导体结构。半导体结构包括介电层。可变电阻存储结构的至少一部分位于介电层上方。可变电阻存储结构包括嵌入介电层中的第一电极。可变电阻层设置在第一电极和一部分介电层的上方。第二电极设置在可变电阻层上方。
本发明的另一方面描述了具有可变电阻存储结构的半导体结构。半导体结构包括导电结构。阻挡层设置在导电结构上方。可变电阻存储结构位于阻挡层上方。可变电阻存储结构包括设置在阻挡层上方的第一电极。阻挡层和第一电极具有基本上相同的宽度W1。可变电阻层设置在第一电极上方。第二电极设置在可变电阻层上方。可变电阻层和第二电极具有基本上相同的宽度W2，其中宽度W2不同于宽度W1。
本发明的一方面还描述一种形成可变电阻存储结构的方法。该方法包括在介电层中形成开口。介电层具有顶面。用第一电极材料填充开口基本上至顶面。在第一电极材料上方沉积可变电阻层。在可变电阻层上方沉积第二电极材料。蚀刻可变电阻层和第二电极材料以形成可变电阻存储结构。
尽管已经详细地描述了实施例及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明的构思和范围的情况下，进行各种改变、替换和更改。作为本领域普通技术人员根据本发明应很容易理解，根据本发明可以利用现有的或今后开发的用于执行与本文所述相应实施例基本上相同的功能或者获得基本上相同的结果的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求预期在其范围内包括这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤。
Claims (10)
1.一种半导体结构，包括：
介电层；以及
可变电阻存储结构，其中所述可变电阻存储结构的至少一部分位于所述介电层上方，所述可变电阻存储结构包括：
嵌入所述介电层中的第一电极；
设置在所述第一电极和一部分所述介电层的上方的可变电阻层；和
设置在所述可变电阻层上方的第二电极。
2.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，所述第一电极具有宽度W1，所述第二电极具有宽度W2，并且所述宽度W1小于所述宽度W2。
3.根据权利要求1所述的半导体结构，进一步包括：位于所述可变电阻层和所述第二电极之间的覆盖层。
4.根据权利要求1所述的半导体结构，进一步包括：位于所述介电层下方并且与所述第一电极电连接的导电结构。
5.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，所述可变电阻层包含高k介电材料、二元金属氧化物或者过渡金属氧化物。
6.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，所述可变电阻层包含氧化镍、氧化钛、氧化铪、氧化锆、氧化锌、氧化钨、氧化铝、氧化钽、氧化钼或者氧化铜。
7.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，所述第一电极和所述第二电极每一个都包括Pt、AlCu、TiN、Au、Ti、Ta、TaN、W、WN或者Cu。
8.一种半导体结构，包括：
导电结构；
阻挡层，设置在所述导电结构上方；以及
可变电阻存储结构，位于所述阻挡层上方，所述可变电阻存储结构包括：
设置在所述阻挡层上方的第一电极，其中所述阻挡层和所述第一电极具有基本上相同的宽度W1；
设置在所述第一电极上方的可变电阻层；以及
设置在所述可变电阻层上方的第二电极，其中所述可变电阻层和所述第二电极具有基本上相同的宽度W2，所述宽度W2不同于宽度W1。
9.根据权利要求8所述的半导体结构，其中，所述阻挡层包括TiN、Ti、Ta、TaN、W或WN。
10.一种形成可变电阻存储结构的方法，所述方法包括：
在介电层中形成开口，其中所述介电层具有顶面；
用第一电极材料填充所述开口基本上至所述顶面；
在所述第一电极材料上方沉积可变电阻层；
在所述可变电阻层上方沉积第二电极材料；以及
蚀刻所述可变电阻层和所述第二电极材料以形成所述可变电阻存储结构。
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